CN113670454A - 一种自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法，包括无人艇水面自动化观测系统通过自动化数据采集方式获取星地同步测量的湖面水温观测数据,并读取观测数据；在读取到无人艇观测经纬度数据后与气象卫星观测数据进行匹配；匹配时首先选取无云区域的匹配点，获取该匹配点上的观测数据，并对气象卫星数据周边窗口的像元DN值取平均；然后读取并处理探空数据，并进行匹配；模拟获得每个匹配点上的大气层顶通道表观辐亮度；通过线性回归计算得到待定标通道的绝对辐射定标系数。本发明通过加密探空大气廓线数据的获取，可以很大程度的提高定标频次，可以进一步提高定标精度。
Description
技术领域
本发明涉及红外遥感传感器绝对辐射定标技术领域，具体来说，涉及一种自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法。
背景技术
经过半个世纪努力，我国已成功发射了19颗气象卫星，目前在轨运行9颗，形成了兼顾成像和探测，覆盖可见红外微波等谱段的综合对地观测能力，成为全球同时具有极轨和静止两个系列业务气象卫星的少数几个国家之一。新一代极轨和静止气象卫星——风云三号和四号实现了我国气象卫星观测系统的更新换代，综合观测能力部分达到国际领先水平。两个系列的气象卫星均具有红外通道对地观测能力。
遥感传感器的绝对辐射定标是仪器计数值与其所反映的地表真实参数之间的桥梁，是遥感信息定量化的开端，又是遥感定量反演地表生物物理参数和建立遥感模型的基础。卫星发射之后，由于工作环境、状态发生变化，长期运行元器件老化，都可能使发射前的定标系数改变，因此需要进行在轨场地定标，以确保遥感数据应用的可靠性与准确度。在场地辐射定标方面，已经建成了敦煌陆地定标试验场和青海湖水面定标试验场，并分别针对我国的风云系列气象卫星、海洋系列卫星、资源系列卫星、环境减灾系列卫星、高分系列卫星和军事系列卫星等开展了场地辐射定标。交叉定标方面目前主要利用国外的卫星传感器（如AVHRR，MODIS，VIIRS，AIRS，IASI，CRIS）对我国的气象卫星（FY-1C/1D/3A/3B/3C/3D和FY-2B/2C/2D/2E/2F/2G/2H/4A）和资源卫星（CBERS-1/2）等传感器进行交叉定标，取得了较好的结果。
红外遥感传感器的在轨实时绝对辐射定标国内外还没得到充分解决，而它又直接影响到卫星红外遥感数据的定量化应用水平。我国遥感卫星的星上定标系统开发总体相对滞后，尤其是红外通道星上定标装置研制比较欠缺，由于卫星平台和星载仪器设计上的限制，导致目前在轨运行的大部分红外有效载荷星上黑体定标光路还是后光路插入，无法满足绝对辐射定标的要求。并且针对星上黑体的国家标准和精度指标测试还不完善，红外定标总体精度评价比较模糊。另外，在场地辐射定标方面由于进场次数和天气条件的限制，仅局限于部分遥感器的辐射定标工作，而且所用的定标方法偏少、试验场气候条件也不理想，还不能满足实际应用的需要；加之，由于我国实验遥感力量投入少、实验场地类型不全、基础研究薄弱、学科交叉不够，影响了系统的理论和技术原始创新与全定量化的发展。在交叉定标方面，由于方法本身对参考传感器和被定标传感器之间的通道设置、通道光谱响应函数、空间分辨率、过境时间、回访周期、几何配准精度等方面有严格要求，实施的门槛高；并且定标精度极大的依赖于参考传感器自身的绝对辐射定标精度。这些都直接影响了卫星数据的预处理工作、标准产品的生产；缺少被测物理参数真实性检验，减低数据产品可靠性和应用，不能满足为应用提供模式或算法的全部需求。并且轨场地辐射绝对定标需要有大量的人力、物力和财力投入，因此，需克服星上定标不完善、场地定标工作量大频次低（每年可以进行1~2次野外试验）、野外同步观测试验的工作量大、观测参数多、数据处理流程复杂、精度难以控制以及交叉定标实施门槛高等问题。
发明内容
针对相关技术中的上述技术问题，本发明提出一种自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法，能够克服现有技术方法的上述不足。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法，包括以下步骤：
S1:无人艇水面自动化观测系统通过自动化数据采集方式获取星地同步测量的湖面水温观测数据；
S2:读取无人艇自动观测系统和气象卫星的观测数据；
S3:读取到无人艇观测经纬度数据和观测时间后，与气象卫星观测数据进行空间和时间匹配处理；
S4:进行匹配时，首先选取无云区域的匹配点，获取该匹配点上的无人艇自动观测数据和气象卫星观测数据，并对获取的匹配点上的气象卫星数据周边的像元DN值取平均；
S5:从探空数据中读取位势高度、温度廓线、湿度廓线、气压廓线数据，以及经纬度和时间；
S6: 根据无人艇自动观测数据与气象卫星数据的匹配结果，获取匹配点的经纬度信息，根据经纬度从探空数据集中提取与匹配点时间和空间相对应的探空廓线数据；
S7: 将获取的各个匹配点上的观测数据以及气象卫星遥感传感器待定标通道光谱响应函数和时间信息输入MODTRAN模型，模拟获得每个匹配点上的大气层顶通道表观辐亮度；
S8: 根据模拟获得的匹配点上待定标通道大气层顶表观辐亮度和提取的气象卫星DN值均值，通过线性回归计算得到待定标通道的绝对辐射定标系数。
进一步地,步骤S1中，观测数据包括经纬度、红外辐射亮温、水温、气温、气压、风向、风速以及观测时间。
进一步地,步骤S1中，自动化数据采集方式为：首先无人艇平台上搭载的红外辐射计探头伸出艇身，垂直向下观测，距离湖面一定高度后，根据红外辐射计的视场和距离湖面的高度，计算出观测时红外辐射计测量湖面范围内的水表辐亮度信息。
进一步地,步骤S2中，气象卫星中读取观测数据，观测数据包括红外观测图像数据、每个像素的经纬度、卫星观测天顶角、方位角、待定标通道的光谱响应函数以及卫星观测时间。
进一步地,步骤S7中，获取的各个匹配点上观测数据包括无人艇自动观测数据、卫星观测天顶角和方位角数据和大气温湿压廓线数据。
进一步地, 所述水表辐亮度信息包括测温范围、温度分辨率、响应时间、仪器视场角、工作温度以及数据重复率。
本发明的有益效果：通过利用无人艇自动观测获取水表辐射亮温，代替了传统场地辐射定标人员在湖面乘船采集水表辐射信息的野外测量工作，可以很大程度的节省人力、物力和财力投入；通过结合加密探空大气廓线数据的获取，可以很大程度的提高定标频次，并且可以进一步提高定标精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是根据本发明实施例所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法的红外辐射计无人艇挂载正视示意图。
图2是根据本发明实施例所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法的红外辐射计无人艇挂载俯视图。
图3是根据本发明实施例所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法的绝对辐射定标流程框图。
图中：1.气象站、2.探头、3.伸缩杆、4.控制箱、5.工控机。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围，为了方便理解本发明的上述技术方案，以下通过具体使用方式上对本发明的上述技术方案进行详细说明。
根据本发明实施例所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法，步骤包括，首先，根据无人艇装载红外辐射计进行星地同步观测的自动化数据采集方式，获取无人艇水面自动观测系统星地同步测量的数据。
其中，无人艇采用太阳能作为航行动力，具有长久续航能力，无人艇装备有气象观测仪器和水下观测仪器，能够获取水面气象要素和水温盐度等资料。航行模式支持自动、手动模式，并可随时在不同模式下进行切换，在浮标工作模式时，自动到达探测位置，无需释放船舶和定位锚系。5级海况下连续测量水面气温、气压、湿度、风速、风向以及海温等要素，6级以上海况能够生存。陆基子系统实时监视、接收梳理与分发数据。
如图1-2所示，红外辐射计无人艇中的气象站1与探头2通过电动伸缩杆3连接，用于控制观测范围，其中卫星站1包括控制箱4和工控机5，进行星地同步观测的自动化数据采集，采集方式为无人艇平台上搭载的红外辐射计探头伸出艇身约2米，垂直向下观测，距离湖面高度约为1.5m左右，根据红外辐射计25°视场和距离湖面1.5m高度，可以计算出观测时红外辐射计测量湖面0.3474m2范围内的水表辐亮度信息。红外辐射计分波段对水表进行测量，测温范围为-80~50℃，温度分辨率为0.01℃，响应时间0.1s，仪器视场角为25°，工作温度为-20~50℃，数据重复率优于99.65%。
根据气象卫星过境状况进行试验设计，在星地同步试验场进行无人艇工况调试，进行设备安装，并在卫星过境前2小时左右，将无人艇经由码头释放，并在湖面按照预先设定的航线航行，按照规定航线进行湖面辐亮度观测，在同步期间保证尽量多的湖面观测数据采集，卫星过境后2小时左右按照预定的航线返回码头。
如图3所示，获取到观测数据后，基于无人艇自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法对观测数据进行处理与定标计算，步骤包括，首先，从无人艇自动观测数据中读取经纬度、红外辐射亮温、水温、气温、气压、风向、风速等数据，以及观测的时间；然后从气象卫星数据中读取待定标通道的红外观测图像数据、每个像素的经纬度、卫星观测天顶角、方位角、待定标通道的光谱响应函数、卫星观测时间等。
读取到数据后，以读取的无人艇自动观测数据经纬度和观测时间为参考基准，对气象卫星观测数据进行空间和时间匹配处理，选取无云区域的匹配点，获取该匹配点上的无人艇自动观测数据和气象卫星观测数据，对获取的匹配点上的气象卫星数据取周边3×3窗口的像元DN值取平均。
再从探空数据中读取位势高度、温度廓线、湿度廓线、气压廓线数据，以及经纬度和时间。根据无人艇自动观测数据与气象卫星数据的匹配结果，获取匹配点的经纬度信息，根据经纬度从探空数据集中提取与匹配点时间和空间相对应的探空廓线数据。
将获取的各个匹配点上的无人艇自动观测数据、卫星观测天顶角和方位角数据、大气温湿压廓线数据以及气象卫星遥感传感器待定标通道光谱响应函数和时间等信息输入MODTRAN模型，模拟获得每个匹配点上的大气层顶通道表观辐亮度。根据模拟获得的匹配点上待定标通道大气层顶表观辐亮度和提取的气象卫星DN值均值，通过线性回归计算得到待定标通道的绝对辐射定标系数。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，通过利用无人艇自动观测获取水表辐射亮温，代替了传统场地辐射定标人员在湖面乘船采集水表辐射信息的野外测量工作，可以很大程度的节省人力、物力和财力投入；通过结合加密探空大气廓线数据的获取，可以很大程度的提高定标频次，并且可以进一步提高定标精度
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1:无人艇水面自动化观测系统通过自动化数据采集方式获取星地同步测量的湖面水温观测数据；
S2:读取无人艇自动观测系统和气象卫星的观测数据；
S3:读取到无人艇观测经纬度数据和观测时间后，与气象卫星观测数据进行空间和时间匹配处理；
S4:进行匹配时，首先选取无云区域的匹配点，获取该匹配点上的无人艇自动观测数据和气象卫星观测数据，并对获取的匹配点上的气象卫星数据周边的像元DN值取平均；
S5:从探空数据中读取位势高度、温度廓线、湿度廓线、气压廓线数据，以及经纬度和时间；
S6: 根据无人艇自动观测数据与气象卫星数据的匹配结果，获取匹配点的经纬度信息，根据经纬度从探空数据集中提取与匹配点时间和空间相对应的探空廓线数据；
S7: 将获取的各个匹配点上的观测数据以及气象卫星遥感传感器待定标通道光谱响应函数和时间信息输入MODTRAN模型，模拟获得每个匹配点上的大气层顶通道表观辐亮度；
S8: 根据模拟获得的匹配点上待定标通道大气层顶表观辐亮度和提取的气象卫星DN值均值，通过线性回归计算得到待定标通道的绝对辐射定标系数。
2. 根据权利要求1所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法,其特征在于, 步骤S1中，观测数据包括经纬度、红外辐射亮温、水温、气温、气压、风向、风速以及观测时间。
3.根据权利要求1所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法,其特征在于,步骤S1中，自动化数据采集方式为：首先无人艇平台上搭载的红外辐射计探头伸出艇身，垂直向下观测，距离湖面一定高度后，根据红外辐射计的视场和距离湖面的高度，计算出观测时红外辐射计测量湖面范围内的水表辐亮度信息。
4.根据权利要求1所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法,其特征在于,步骤S2中，气象卫星中读取观测数据，观测数据包括红外观测图像数据、每个像素的经纬度、卫星观测天顶角、方位角、待定标通道的光谱响应函数以及卫星观测时间。
5.根据权利要求1所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法,其特征在于,步骤S7中，获取的各个匹配点上观测数据包括无人艇自动观测数据、卫星观测天顶角和方位角数据和大气温湿压廓线数据。
6. 根据权利要求3所述的自动观测气象卫星热红外通道在轨场地辐射定标方法,其特征在于, 所述水表辐亮度信息包括测温范围、温度分辨率、响应时间、仪器视场角、工作温度以及数据重复率。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20211119 |